崔屹院士，今日Nature Water！

虽然异质水源消毒可以避免均匀系统的二次污染，但其消毒能力低严重阻碍了它的发展。

在此，美国斯坦福大学崔屹教授开发出了一种(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu/Fe₃O₄的离散纳米薄膜，成功地解决了上述异质水源消毒的问题。究其原因，这种新颖的结构中集成了三个令人兴奋的特性：

1）双面垂直排列的纳米MoS₂生长在光透明的Al₂O₃纳米片的两侧，可以大量吸收阳光，两侧可以同时工作；

2）Cu-MoS₂能够增强电荷分离，有效产生活性氧；

3）同时，磁性Fe₃O₄纳米颗粒具有磁分离能力，消毒后方便再生；

实验结果表明，本文报道的(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu/Fe₃O₄纳米结构表现出出色的水消毒能力，在真实阳光下，1分钟内超过5.7 log10 CFU ml^-1大肠杆菌被彻底灭活（系统热效应对消毒性能影响不大），以及易于分离和稳定的长循环再利用，其具有广阔的应用前景。

该研究以题为“Solar-driven efficient heterogeneous subminute water disinfection nanosystem assembled with fingerprint MoS₂”发表在Nature Water上。

研究背景

研究显示，世界上大约30%的人口仍然无法获得安全的饮用水，60%的人无法获得安全管理的卫生服务。因此，消毒对生活用水的安全是非常重要和不可缺少的。

目前，主要消毒技术可分为三大类：生物（例如噬菌体）、物理（例如过滤、微波、高温、等离子体、紫外线（UV）光照射和电穿孔技术和化学（例如高锰酸钾、卤化物剂、臭氧、纳米银颗粒和氧化钛）策略。

除基于紫外线的技术外的物理/生物方法由于其能源消耗高或消毒时间长，没有广泛用于大规模水处理策略。其中，均匀系统主要利用分子/离子尺度上的有效碰撞作为实现高速消毒的优势。

然而，它们不可避免地存在产生有毒残留物和消毒副产品的二次污染风险。异质性系统相对容易分离，并避免了毒性的风险。但异质消毒还远未达到堪比均质消毒的效率，更不用说从消毒到去除和回收的技术集成了。

为彻底解决上述问题，本水消毒系统的设计和制备必须同时满足以下几点：(1)高浓度活性氧（ROS）（化学要求），(2)可见光吸收面积大，与细菌密切接触大（物理要求），(3)出色的去除和回收能力（工艺要求）。

图文导读

异质性消毒系统的设计

图1a显示了(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu/Fe₃O₄多特征颗粒的合成过程示意图。具体来说，作者基于MoO_x的高温硫化作用，在氧化铝纳米片表面生长了一种具有垂直排列层状结构的指纹状MoS₂薄膜。MoS₂的厚度由MoO_x的厚度来决定。

然后，通过歧化反应将金属铜均匀地涂在MoS₂层上，磁性纳米颗粒组装在MoS₂的表面。结果表明，垂直的MoS₂（v-MoS₂）材料具有很容易被激发的电子，电子空穴对被分离，沿垂直MoS₂运输到边缘，参与水和溶解氧生成ROS。

图1. (Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu/Fe₃O₄的合成及消毒操作原理图

(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu/Cu的制备和表征

作者对这些材料进行了SEM和TEM表征，以研究其独特的材料结构。如图2a所示，单个结构为饼干状，直径为5-10μm，厚度为100-150nm。边缘（iii）和中心（iv）的TEM图像显示，MoS₂薄膜具有紧凑的多层结构，具有垂直排列的形态，层间距为0.72-0.75nm，层数为12-18层。

图2. Al₂O₃@v-MoS₂和(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu的性质分析

光催化消毒性能

首先研究了MoS₂纳米薄片在可见光下是否能有效地作为光催化剂工作。图3a比较了Al₂O₃@v-MoS₂在黑暗和光照下以及空白水的失活效率。在滤光照射下，与空白样品消毒效果相比，Al₂O₃@v-MoS₂的消毒效果较强，2h内被成功灭活，未检测到活菌。

为了加快这一过程，在MoS₂薄膜上引入了铜金属颗粒，形成了(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu复合材料。涂覆铜纳米颗粒后，消毒时间缩短了40倍。如图3b所示，采用(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu实现了3 min消毒成功，目前还没有报道过光催化剂达到如此显著的失活速度。

图3. (Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu系统的消毒性能和工作原理

图4. (Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu/Fe₃O₄可回收的光催化消毒

总结展望

总的来看，作者制备了基于Al₂O₃@v-MoS₂的磁性光响应纳米防腐剂，可以在真实的阳光下充分获取紫外线和可见光，用于水循环消毒。使用二维垂直排列的MoS₂薄膜可以缩小带隙，并将其吸收截止时间延长到800 nm，从而在光催化消毒过程中充分利用太阳能。

在此过程中，可以检测到四种能强烈破坏细菌细胞外肽聚糖层的活性糖层。镀铜粒子降低电子逃逸的能垒，加速电子的传递。辐照3 min后，(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu的细菌浓度失活率为5.7 log。同时，利用电荷吸引反应，磁性粒子可以很容易地在(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu表面上进行改性，从而使通过磁体收集催化剂成为可能。

这种最终材料(Al₂O₃@v-MoS₂)/Cu/Fe₃O₄不仅在真实的阳光照射下，在60秒内实现了超过5.7 log10 CFU ml^-1大肠杆菌的彻底灭活，而且在重复使用后也显示出了特殊的稳定性。因此，本文的催化剂设计代表了最先进的光消毒，并将在这个令人兴奋的跨学科领域激发更多的创新。

文献信息

Tong Wu, Bofei Liu, Chong Liu, Jiayu Wan, Ankun Yang, Kai Liu, Feifei Shi, Jie Zhao, Zhiyi Lu, Guangxu Chen, Allen Pei, Harold Y. Hwang, Yi Cui*, Solar-driven efficient heterogeneous subminute water disinfection nanosystem assembled with fingerprint MoS₂, 2023, Nature Water, https://doi.org/10.1038/s44221-023-00079-4

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/06/cd446df520/

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